Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas decorriente alterna

Ya has visto en temas anteriores el estudio de los motores de corriente continua y laclasificación de las máquinas, pues bien, ahora vas a estudiar las máquinas de corrientealterna que son las que más se utilizan a nivel doméstico e industrial.

Hoy en dia es necesario disponer de máquinas que nos proporcionen la energía eléctricanecesaria así como motores que podamos utilizar tanto en uso doméstico como en laindustria. Como ya sabes la corriente que habitualmente utilizamos es alterna de ahí laimportancia que tienen estas máquinas en electrotecnia.

Pero ¿cuándo utilizar una máquina monofásica y una trifásica?

Para potencias pequeñas se utilizan las maquinas monofásicas y para grandes potenciasvamos a utilizar las trifásicas.

Imagen 1. Fuente: Banco de imágenes del ITE.

Creative Commons

En este tema también vas a ver como se genera la electricidad, para ello utilizaremos losgeneradores o alternadores y descubrirás que las máquinas rotativas pueden funcionar tantocomo generador como motor, por lo tanto podemos decir que son máquinas reversibles.

No obstante aunque se van a ver las diferentes posibilidades de trabajo de las máquinasrotativas de corriente alterna podemos decir que salvo excepciones la maquinas síncronasvan a funcionar como alternadores y las asíncronas como motores.

1. Máquinas síncronas

Lo primero que tenemos que saber es que una máquina síncrona puede funcionar comoalternador o como motor, si bien en el caso de las máquinas síncronas es más común el usode las mismas como alternadores.

Por lo tanto podremos decir que un alternador síncrono va a ser aquel que gira a unavelocidad constante que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, esta energíaeléctrica va a ser alterna.

Si lo que hacemos es transformar energía eléctrica en mecánica, la máquina síncrona estaráfuncionando como motor.

Dependiendo de la potencia de la máquina nos podemos encontrar con las siguientesconstituciones:

a. Máquinas superiores a 5KVA el devanado inducido está en el estator encajado enunas ranuras y el devanado inductor, alimentado por corriente continua, en el rotor.b. Máquinas inferiores a 5KVA los devanados se colocan de forma inversa, igual que enlas máquinas de corriente continua.

Fíjate que hemos dicho que la corriente de excitación es continua, ¿eso qué significa?, puessencillamente que la velocidad de giro solo puede ser la sincrónica, que vendrá dada por:

Donde es la velocidad en r.p.m, f es la frecuencia y p el número de polos

Dependiendo del número de fases del devanado inducido, las máquinas síncronas se puedenclasificar en monofásicas y polifásicas.

En función de la forma del inductor las podremos clasificar en maquinas de rotor de polossalientes o en máquinas de rotor cilíndrico.

El comportamiento de las máquinas síncronas es muy parecido al de las máquinas decorriente continua que ya has estudiado, con la salvedad de que en las síncronas se induceuna tensión alterna producida por un campo de excitación que también es constante.

Tenemos un motor síncrono de 4 pares de polos conectado a una red de frecuencia 400Hz ¿cuál será la velocidad de sincronismo?

Calcular el número de pares de polos que tiene un motor síncrono que gira a 750 r.p.mcuando está conectado a una red de frecuencia 50 Hz.

2. Alternador síncrono

El alternador síncrono es el generador de electricidad por excelencia, casi toda la energíaeléctrica que utilizamos hoy en día está producida por este tipo de máquinas.

Como ya sabes la corriente que utilizamos es alterna, por lo tanto nos interesará que laonda de excitación se aproxime lo más posible a la senoide, ocurre que en las máquinassíncronas de polos salientes por su constitución generan una onda rectangular, entonces tepreguntarás como conseguimos una senoide pues muy sencillo, variaremos el valor delentrehierro con un valor mínimo en el centro. Para conseguir esto constructivamente sefabrican entrehierros de diferentes formas.

Al girar el rotor con la máquina excitada, el devanado del estator inducirá una fuerzaelectromotriz alterna, cuya forma de onda variará en función de su frecuencia de rotación.

A continuación vamos a ver cómo podemos calcular la tensión en bornes de una máquinasíncrona.

Circuito equivalente de la máquina síncrona funcionando como alternador.

Toda máquina eléctrica va a estar bajo los efectos de una resistencia óhmica y de un flujomagnético, por lo tanto vamos a ver cómo será esa tensión en bornes del alternador.

Pero recuerda que:

Por lo tanto llegamos a:

Tienes que saber que no se han tenido en cuenta las pérdidas mecánicas ni las pérdidasmagnéticas. Este tipo de pérdidas en las máquinas síncronas se obtienen con unos ensayoscaracterísticos que no son objetivo de este curso.

Repasa como se obtiene la energía eléctrica en los diferentes tipos de centrales.

3. Motor síncrono

El motor síncrono apenas se utiliza, es por este motivo por el que nos vamos a centrar endar algunas nociones pero sólo en cuanto al motor monofásico debido a que el estudio delmotor síncrono trifásico es de una gran complejidad lejos de los objetivos de este curso.

Como ya has podido leer en la introducción, los motores de corriente alterna monofásicos losvamos a utilizar cuando la potencia requerida es pequeña o bien cuando o cuando el factorde potencia o el rendimiento no son factores muy importantes.

Un motor monofásico tiene un solo bobinado en el estator, lo que hace que la corrientegenere un flujo de dirección constante, lo que va a provocar que el motor no pueda girar porsí solo.

Un motor asíncrono monofásico no puede arrancar por sí solo. No tiene par de arranque.

Cuando conseguimos por algún método, que el motor arranque, al girar se generarán unasfuerzas electromotrices en sus conductores que generarán, según la regla de la manoderecha que ya estudiaste en una Unidad Didáctica anterior un flujo magnéticoperpendicular al flujo principal creado en el estator y esto provocará que el rotor continúeen movimiento.

De esto se deduce que para que un motor monofásico arranque vamos a necesitar algúndispositivo auxiliar que permita ponerlo en funcionamiento.

Arranque por motor auxiliar

Este método consiste en hacer girar el motor síncrono con la ayuda de un motor de corrientecontinua hasta que alcance (o se aproxime mucho) a la velocidad síncrona, momento en elque se acoplará a la red eléctrica y desconectaremos el motor auxiliar.

Circuito equivalente de una máquina síncrona funcionando como motor

Antes has visto el circuito equivalente funcionando como alternador, ahora vas a ver quefuncionando como motor existe una variación.

Donde obtenemos que:

Date cuenta que el signo trabajando como alternador o como motor varía.

Rellena los huecos en blanco:

El arranque por motor auxiliar consiste en hacer el motor síncrono con la

ayuda de un motor de corriente hasta que alcance (o se aproxime

mucho) a la velocidad , momento en el que se acoplará a la red

eléctrica y el motor auxiliar.

Comprobar

4. Alternador asíncrono

Como ya te adelantamos en la introducción las máquinas asíncronas pueden funcionar tambiéncomo generadores, lo que ocurre es que tienen algunos problemas que hacen que su uso seamuy limitado. Estos problemas van a ser los siguientes:

Imposibilidad de generar potencia reactiva.No es una máquina autoexcitable, es decir necesita de que otras máquinas le

proporcionen corriente magnetizante.

Debido a estos dos problemas el uso de los generadores asíncronos queda limitado, noobstante al no exigir la sincronización con la red y que son máquinas muy robustas yeconomicas en algunos casos su uso queda justificado.

Dada la complejidad de estas máquinas y su escasa utilización no vamos a profundizar enellas.

Si quieres saber mas sobre generadores asíncronos o de inducción aqui te dejo unenlace donde podrás profundizar, pero recuerda que no es objetivo de este curso.

Generadores asíncronos o de inducción

5. Motor asíncrono

Motor asíncrono

El motor asíncrono trifásico podemos decir que es el motor más utilizado en la industria,sobre todo por su robustez y sencillez de funcionamiento.

El motor asíncrono tiene muchas similitudes con los motores de corriente continua, comocualquier máquina rotativa consta de dos partes:

a. Rotor: Es la parte móvil del motor, está formada por láminas magnéticas formando unacorona rotórica en la cual encajaremos el devanado rotórico. El rotor puede ser de dostipos:

En Jaula de ardilla.Rotor bobinado.

b. Estator: Es la parte fija de la máquina formado por una serie de láminas aisladas entresí. En el estator se coloca un devanado que tiene que tener el mismo número de fases quela red a la que está conectada.

Motor de jaula de ardilla

El rotor está constituido por una serie de barras dispuestas en las ranuras de la coronarotórica unidas en sus extremos a dos anillos. El par de arranque es pequeño y la intensidadque absorben es elevada.

Imagen 4. Rotor de jaula de ardilla.

Fuente: Wikipedia. Creative Commons

Motor de rotor bobinado

En las ranuras de la corona rotórica se insertan los devanados unidos por un punto común.Este tipo de motor tiene unos anillos de cobre, denominados "anillos rozantes" que giran conel eje, haciendo contacto con el eje que van a permitir conectar los devanados rotóricos conel exterior.

5.1. Funcionamiento del motor asíncrono

Cuando estudiaste en este mismo tema el funcionamiento de la máquina síncrona acuérdateque hablamos de la velocidad de sincronismo, pues bien, un motor asíncrono se va acaracterizar por tener una velocidad un poco inferior a la síncrona.

Vamos a ver como se origina un campo giratorio. En el estator vamos a tener tresdevanados desfasados 120º, las máquinas síncronas tienen una caja de bornes que nos va apermitir conectar los devanados en estrella o en triángulo, tal y como puedes ver en lafigura siguiente:

Imagen 6. Conexionado de un motor.

Elaboración propia con Paint

La evolución de las ondas con el tiempo va a ser la siguiente:

Imagen 7. Ondas trifásicas.

Elaboración propia creada con Graph

Puedes observar como en los instantes 1, 2, 3, 4, 5 las corrientes que atraviesan las fases

¿Como invertirías el sentido de giro de un motor?

Si la velocidad del rotor fuera mayor que la de sincronismo, el motor funcionaría comogenerador.

Sabemos que un motor asíncrono de 2 pares de polos conectado a una frecuencia de 50Hz gira a una velocidad de 1.450 r.p.m.¿Cuál es el valor del deslizamiento?

Es importante saber que el deslizamiento es

Donde

: es la velocidad de sincronismo.

: es la velocidad de giro del rotor.

5.2. Balance de potencias. Rendimiento

Balance de potencias

Ya sabes que la potencia eléctrica viene determinada por la siguiente expresión:

Pero si la máquina que tenemos es polifásica ocurre que la fórmula de la potencia va a ser:

Donde va a ser el número de fases.

Ahora bien, en temas anteriores has estudiado que cualquier elemento conectado a la redeléctrica tiene unas pérdidas debidas al efecto Joule, estas pérdidas las vamos a denominarpérdidas en el cobre, así pues en el devanado estatórico tendremos que:

Donde es la corriente que circula por el estator y la resistencia del devanadoestatórico.

Teniendo en cuenta estas pérdidas en el estator llegamos a que la potencia disponible paracrear un campo magnético va a ser:

También tenemos que tener en cuenta las pérdidas en el núcleo de hierro debido a lahistéresis y a las corrientes de Foucault, por lo tanto la potencia que atraviesa el entrehierroserá:

Hasta ahora hemos visto las pérdidas en el estator y en el hierro, aun nos faltan por ver laspérdidas en el cobre del rotor debidas también al efecto Joule.

Por tanto la potencia mecánica en el rotor será:

Por último tenemos que añadir unas pérdidas que si bien no son originadas por la corriente opor el campo magnético también tienen que ser tenidas en cuenta, estas son las pérdidasmecánicas por rozamiento de las partes móviles de la máquina.

Una vez restadas todas las pérdidas de potencia vamos a llegar a la potencia útil, que será laque realmente vamos a aprovechar:

Con el siguiente esquema te quedará más claro el balance de potencias:

Imagen 8: Balance de potencias.

Elaboración propia creada con paint

Cuál será el rendimiento de un motor conectado a una tensión de 380 V y 50Hz defrecuencia que mueve un par resistente de 30 N*m a una velocidad de 1450 r.p.m. Siel factor de potencia es de 0,85 y la intensidad de línea que consume el motor es de15 A.

Calcular:

Tienes que recordar de temas anteriores la relación existente entre el par y lavelocidad del motor.

5.3. Arranque de motores asíncronos

Cuando arrancamos un motor asíncrono necesitamos una gran corriente que puede hacer quelos usuarios conectados a esa misma línea noten una caída de tensión que pueda alterar elnormal funcionamiento de sus equipos eléctricos.

Esto es debido a que los motores asíncronos tienen un elevado par de arranque, para evitarel aumento de la corriente se utilizan diferentes métodos de arranque.

En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (RBT) viene recogida la corriente dearranque de los motores trifásicos según su potencia:

De 0,75 Kw a 1,5Kw inferior a 4,5 veces la intensidad nominal.De 1,5 Kw a 5 Kw inferior a 3 veces la intensidad nominal.De 5 Kw a 15 Kw inferior a 2 veces la intensidad nominal.Más de 15 Kw inferior a 1,5 veces la intensidad nominal.

Recuerda: Que la intensidad nominal es la corriente necesaria para que un equipofuncione en condiciones optimas de rendimiento.

Arranque con impedancia en el estator

Lo que pretendemos añadiendo una impedancia al estator es limitar la tensión en los bornesdel estator de la máquina. En el primer momento del arranque tenemos todas lasresistencias, posteriormente vamos desconectándolas todas poco a poco. El esquema sería elde la figura siguiente.

Imagen 9. Arranque con impedancia en el estator.

Elaboración propia con paint

Arranque por autotransformador

Mediante un autotransformador colocado entre la línea y el motor limitamos la tensión eiremos incrementándola poco a poco.

5.4. Motor asíncrono monofásico

Existen multitud de casos en que debido a la poca potencia que necesitamos o por nonecesitar un factor de potencia elevado recurrimos a motores monofásicos.

El motor monofásico dispone de un bobinado en el estator de una sola fase que crea un flujoalterno pero de dirección constante, esto supone que el rotor no pueda girar por sí solo.

El motor monofásico asíncrono no dispone de par de arranque.

Si conseguimos, por algún método, que el rotor comience a girar se generan una fuerzaselectromotríces que permitirán que el rotor gire por si solo.

Para conseguir arrancar el motor tenemos varios métodos pero el que veremos acontinuación es el más utilizado.

Bobinado auxiliar de arranque:

Lo que conseguimos es tener durante un instante un motor bifásico con lo que el motorprincipal ya podrá arrancar, una vez arrancado se desconecta este bobinado auxiliar. Siademás conectamos un condensador en serie incrementaremos el desfase, con lo quefacilitaremos el arranque.

Para terminar el tema vamos hacer una pequeña reseña a los motores universales queson aquellos que se pueden conectar a una corriente continua como a una corriente alternamonofásica.